反硝化條件下 BTEX微生物降解研究

高艷輝,陳余道,李本召 ,黃 旋

(桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣西桂林 541004)

隨著地下儲油罐泄漏及輸油管線溢漏現(xiàn)象的頻繁發(fā)生,地下水系統(tǒng)遭受 BTEX(苯系物)的污染已成為全球性問題。由于 BTEX本身具有致癌性和致突變性,即使是在很低的濃度下也會產(chǎn)生生物毒性,開發(fā)經(jīng)濟有效的治理 BTEX污染新技術(shù)成為了各國學(xué)者研究的目標。

最初,研究的重點是好氧條件下的生物降解,實驗室和野外的實驗都證明好氧條件下,微生物可以降解 BTEX。然而地下含水層通常是厭氧狀態(tài)或者由于有機污染物的好氧降解使氧迅速耗盡而很快變?yōu)閰捬鯛顟B(tài),并且很難經(jīng)濟有效且均勻地向含水層連續(xù)供給足夠的氧,好氧生物降解在治理BTEX污染中的應(yīng)用受到了極大的限制。厭氧條件下的微生物降解不需要氧,BTEX的厭氧生物降解比好氧生物降解更加可行且經(jīng)濟有效[1]。

因此,研究厭氧條件下 BTEX的微生物降解更有意義,近年來的研究重點已轉(zhuǎn)向厭氧條件下 BTEX的生物降解性及降解速率的研究。對比厭氧條件下的幾種反應(yīng),利用反硝化作用的生物降解技術(shù)最具實際意義。

1 反硝化降解 BTEX

1.1 反硝化降解BTEX機理

反硝化條件下 BTEX的微生物降解是反硝化細菌在厭氧條件下,利用 BTEX污染物作為自身生長繁殖的碳源與能源,以硝酸根(NO3-)作為電子受體,將 BTEX污染物降解為無害產(chǎn)物如 CO2和 H2O等的過程。

反硝化作用出現(xiàn)的條件有四個,包括：含水層中的硝酸鹽、有機碳、反硝化細菌和微氧或厭氧條件(即溶解氧低,幾乎沒有)。

下面的方程描述了 BTEX礦化為二氧化碳和水的關(guān)系[2]：

1.2 反硝化降解BTEX意義

就厭氧降解BTEX的幾種電子受體而言,除氧以外,硝酸鹽是一個僅次于氧氣的可選物質(zhì),這是因為反硝化條件下降解 BTEX與 Fe(Ⅲ)和硫酸根作為電子受體相比,有其自身的優(yōu)點。Fe(Ⅲ)容易與上壤中的離子形成沉淀,這樣就降低了Fe(Ⅲ)的有效利用率;硫酸根所產(chǎn)生的 H2S已經(jīng)被實驗所證實對微生物具有毒害作用,會抑制微生物的活性,從而影響B(tài)TEX的降解;而硝酸根作為電子受體時則不存在這些問題,硝酸鹽產(chǎn)能與氧氣產(chǎn)能相近,在水中具有高溶解度(660 g/L),不會產(chǎn)生氧化物沉淀,且當濃度低于 500mg/L時對含水層微生物沒有毒性[3]。同時,在我國部分地區(qū)由于過量的施肥,土壤中的氮含量比較高,在有些地區(qū)的地下水中甚至出現(xiàn)了“肥水”的現(xiàn)象,這些都為反硝化降解 BTEX提供了有利的生化條件。并且進行硝酸鹽還原的細菌在地下普遍存在,一些研究者在有機污染含水層物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了活動的反硝化菌。硝酸鹽易溶,把它作為添加電子受體時成本低。

因此,研究反硝化條件下,微生物對 BTEX的降解更具有實際意義。

1.3 反硝化降解BTEX研究

國外許多學(xué)者對反硝化條件下BTEX的厭氧降解進行了深入的研究與探討,并取得了一定的研究成果,如通過馴化、富集培養(yǎng)、篩選和基因工程等手段獲得高效菌種[4,5],通過供應(yīng)微生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)以加快BTEX污染物的降解速率[6],而國內(nèi)在這方面的研究比較薄弱。

近些年來,一些有關(guān)運用反硝化增強修復(fù)去除地下水中BTEX的結(jié)果和報道如表 1所述：

表1 BTEX反硝化增強修復(fù)研究

2 反硝化條件下苯的降解

苯在地下介質(zhì)中的環(huán)境行為及污染防治已成為了環(huán)境科學(xué)研究的熱點,尤其是反硝化條件下苯的降解更受關(guān)注。因為目前的研究結(jié)果表明厭氧條件下微生物利用硫酸根、Fe(III)和 Mn(IV)為電子受體降解苯已經(jīng)被很多實驗所證實,但是,對于苯是否能在厭氧條件下以硝酸根為電子受體降解還存在爭議。為此,國內(nèi)外學(xué)者也開展了相關(guān)的研究。一些研究認為苯在反硝化條件下具有抵抗性不能被生物降解[14-16],而另外的研究又表明苯在反硝化條件下能夠被降解[17-19]。

BURLAND和 EDWARDS[18](1999)首先研究證明在以地下水和土壤組成的培養(yǎng)基中,在硝酸鹽參與下苯可以被降解成 CO2。通過同位素跟蹤的方法發(fā)現(xiàn),92%～95%的苯被轉(zhuǎn)化成了 CO2,BURLAND認為剩余的 5% ～8%可能被微生物的生長所利用。在 BURLAND實驗的初始階段,苯的降解和硝酸鹽的消耗都比較緩慢。經(jīng)過了大約 40天以后,苯的降解和硝酸鹽的消耗一起加速,在硝酸鹽全部消耗以后,苯的降解也幾乎處于停止狀態(tài)。雖然 BURLAND的研究表明,苯可以在一定條件下被反硝化微生物降解,但是 BURLAND并沒有進一步確定影響苯反硝化降解的因素。

吳玉成等[19](1999)利用實驗室含水層物質(zhì)微環(huán)境實驗,通過對含水層厭氧反硝化條件模擬,對苯和甲苯的微生物降解機制進行研究。研究結(jié)果表明,在加強反硝化條件下,微生物可以利用 NO3-作為電子受體降解苯和甲苯,降解苯和甲苯的反硝化菌存在于含水層物質(zhì)中,環(huán)境的酸堿條件對微生物降解具有重要影響,pH值過高或過低均會抑制微生物降解作用的產(chǎn)生。

李東艷等[20](2000)以未污染的稻田土為接種物,進行了一系列的微環(huán)境實驗研究,結(jié)果表明反硝化條件下苯和甲苯都能被微生物降解,甲苯比苯更易降解,甲苯的存在促進了苯的降解。

Coates[4]等(2001)分離出了在反硝化條件下可以降解苯的微生物 RCB和 JJ(2株屬于變型菌 B亞類的石油細菌Dechlor omonas strains),這為進一步研究苯降解的機理提供了必要的條件。研究發(fā)現(xiàn),Coates所選用的土壤基質(zhì)可以在不接種 RCB和不投加硝酸根的條件下降解苯,而在接種了RCB和投加了硝酸根以后,苯降解速率有較大提高,在苯降解的同時硝酸根也不斷被消耗。但是,如果只投加硝酸根而不接種 RCB,苯卻沒有降解。

Junfeng Dou[21]等(2010)首次報道分離出的蠟狀芽孢桿菌(B.cereus)可以在硝酸鹽還原條件下有效的降解苯。實驗結(jié)果表明,蠟狀芽孢桿菌可以在 25天內(nèi)完全降解 150 mg/L的苯,并且可以利用硝酸鹽作為終端電子受體修復(fù)苯污染區(qū)域,強調(diào)了其潛在的生物修復(fù)技術(shù)。

以上研究均表明反硝化條件下苯能被生物降解,為反硝化條件下治理地下水有機污染補充了依據(jù),但是還需要解決一系列的問題才能實現(xiàn)反硝化條件下微生物降解苯的強化。

3 結(jié)論與展望

目前,反硝化降解 BTEX的的研究工作雖然取得了一定進展,但仍處于初級階段,還需要在以下方面進行深入研究：結(jié)合污染場地的治理,加強野外研究;在利用反硝化作用去除地下水中 BTEX時,準確估計降解污染物所需的電子受體量尤為重要,因為加入硝酸根的量不足會影響生物降解過程,過量會引起地下水的氮污染;微生物降解作用是一個非常復(fù)雜的過程,在實際應(yīng)用之前,其降解途徑、終端產(chǎn)物等有待于進一步研究,以期盡快實現(xiàn)反硝化條件下 BTEX降解的強化。

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